第五期上科大生医工在线学术讲座实录——骨生物工程:微观结构、力学、机械生物学以及展望

发布时间:2021-11-10浏览次数:88

2021年10月28日晚, 受上海科技大学生物医学工程学院 (上科大生医工学院) 沈定刚教授邀请,美国哥伦比亚大学生物医学工程系主任 X. Edward Guo 教授做客上科大生医工学院在线学术讲座,通过线上直播为我校师生带来了题为 “骨生物工程:微观结构、力学、机械生物学以及展望” (Bone Bioengineering: Microstructure, Mechanics, Mechanobiology, and Beyond) 的演讲。Guo 教授是美国 AIMBE、ASME、BMES 以及国际 IAMBE 学会会士,曾获得美国国家自然科学基金杰出青年教授奖 (NSF CAREER)、美国国家卫生研究院 (NIH) 国家科研服务奖、国际骨科协会青年科学家奖。此次讲座由上科大生医工学院曹国华教授主持。




讲座中,Guo 教授首先从进化角度介绍了骨骼对于生物进化的重要性。他以目前较为常见的骨质疏松与骨关节炎两种疾病为例,阐述了骨生物工程研究对于骨疾病诊疗的重要意义。随后,Guo 教授介绍了他的团队在构建小梁骨显微结构 (Microstructure of Trabecular Bone) 方面的工作。Guo 教授表示,骨质 (Bone Mass) 和骨显微结构 (Bone Microstructure) 与其所受的机械载荷有关,而研究小梁骨的显微结构可以帮助我们更好地理解骨骼在不同环境及载荷下的变化情况。其中小梁骨 (Trabecular Bone) 主要由小梁板 (Trabecular Plates) 及小梁杆 (Trabecular Rods) 构成。为了对小梁骨的显微结构 (Trabecular Plates, Trabecular Rods) 进行量化分析,Guo 教授的团队使用两种高分辨率成像模态 (显微 CT 和高分辨率四肢定量 CT;Micro Computed Tomography and High Resolution Peripheral Quantitative Computed Tomography),开发了一种名为 Individual Trabecula Segmentation (ITS) 的技术来构建小梁骨的显微结构。在此基础上,Guo 教授介绍了基于 ITS 技术的小梁骨形态学分析方法以及基于 ITS 的 Plate-Rod (PR) 模型。


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基于 ITS 技术的骨小梁形态学分析方法


在讲座的第二部分,Guo 教授聚焦适用于人体研究的高分辨率四肢定量 CT 技术,并以脊椎骨折为例,展示了基于高分辨率四肢定量 CT 技术和 ITS 技术的 PR 模型在脊椎骨折诊断中的作用。此外,Guo 教授还介绍了他的团队在骨关节炎研究中的最新进展,并在小梁骨显微结构层面上阐述了骨关节炎的发病机理。在此基础上,Guo 教授对小梁骨的本质进行了定义,并使用小梁骨显微结构下的 PR 模型对骨质疏松及骨关节炎的本质进行了阐述。


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组成小梁骨的小梁板和小梁杆的形态结构

对于小梁骨的生物力学特性非常重要


在讲座第三部分,Guo 教授以骨骼的结构层次为切入点来介绍骨骼的机械生物学模型。骨骼主要有构建 (modeling) 以及改建 (Remodeling) 两种形态变化。为了研究机械载荷下骨骼的机械生物学特性,Guo 教授团队通过扫描活体小动物在不同阶段的显微 CT 图像,并利用基于 ITS 的 PR 模型进行分析得出:骨骼在机械载荷下主要存在 Anabolic Modeling,Catabolic Modeling 以及 Remodeling 三种变化,并对比分析了 PR 模型中小梁板以及小梁杆的变化情况。


骨骼在机械载荷下存在 Anabolic Modeling,

Catabolic Modeling 和 Remodeling

三种形态学变化


讲座最后,Guo 教授进一步阐述了自己未来的研究方向。通过相关数据表明,亚洲人相比于白种人具有更低骨折率,Guo 教授猜想这一现象的背后可能是由于不同地区、不同种族的人群具有不同的骨骼微观结构。而通过分析不同地区、不同种族人群骨骼的微观结构可以帮助人们更好地了解不同人种的差异,从而有助于精准医疗。


讲座结束后,参会师生与 Guo 教授进行了互动交流,Guo 教授还在学生培养、学科建设等方面分享了经验和建议。Guo 教授指出,生物医学工程以及生物学的发展非常迅速,所以本科生的课程设计应更加前沿化,以此来适应日益发展的技术迭代。本次讲座通过哔哩哔哩视频网站进行了在线直播,使身处全世界各地的听众得以在线观看并学习。


第五期讲座完整录像请关注“上科大生医工学院”官方哔哩哔哩账号观看,观看地址:

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